开关电源热阻计算方法及热管理

1、开关电源热阻计算方法及热管理我们设计的DC-DC电源一般包含电容、电感、肖特基、电阻、芯片等元器件；电源 产品的转换效率不可能做到百分百，必定会有损耗，这些损耗会以温升的形式呈现在我们 面前，电源系统会因热设计不良而造成寿命加速衰减。所以热设计是系统可靠性设计环节 中尤为重要的一面。但是热设计也是十分困难的事情，涉及到的因素太多，比如电路板的 尺寸和是否有空气流动。我们在查看IC产品规格书时，经常会看到R、T、T、T 等名词；首先R是指芯 片热阻，即每损耗1W时对应的芯片结点温升，T是指芯芹的结温，T是指芯片的去存储温 度范围，tlead是指芯片的加工温度。JSTG二、术语解释首先了解一下与温

2、度有关的术语：T、T、T、T。由“图1 ”可以看出，T是指芯片J A C TJ内部的结点温度，Ta是指芯片所处的环境温度，TC是指芯片背部焊盘或者是底部外壳温度， Tt是指芯片的表面温度。数据表中常见的表征热性能的参数是热阻 R a，RA定义为芯片的结点到周围环境的热阻。其中 = Ta +(Rja *Pd)J JA图1.简化热阻模型对于芯片所产生的热量，主要有两条散热路径。第一条路径是从芯片的结点到芯片 顶部塑封体(R )，通过对流/辐射(R )到周围空气；第二条路径是从芯片的结点到背部焊 盘(Rjc)，通过对流/辐射(Rca)传导至TPCB板表面和周围空气。对于没有散热焊盘的芯片，Rjc是指

3、结点到塑封体顶部的热阻；因为Rjc代表从芯片内的结点到外界的最低热阻路径。KK三、典型热阻值表1典型热阻名称值(C/W)描述工作条件方程Rcu71. 4铜平面的横向热阻长度L=lcm,宽度=lcm,铜 箔厚度=0. 0035cm,铜的热 导率(XJMW/Ccmr)r =_ 0.25*1S1*0.0035Rvia261典型12mil过孔热阻过孔长度L=0. 165cm,孔壁 铜厚=0. 00175cm,孔径 =0. 01524cm,铜的热导率 (Acu)=4W/(cnfC)Rg 飞L_0.25*0.165 3.14 *0.015242 -(0.01524-0.00175)2Rsa1000自然对流

4、引起的从PCB板 上边长1cm的正方形的表 面到周围空气的热阻边长为1cm的正方形，自然 对流条件下PCB板到空气的 热传递系数近似值 (h)=0. 001W/(cm2，C)R =K 一10SA s1*1ReTR413. 9FR-4垫片的纵向热阻边长为1cm的正方形，FR-4 厚度 D=0. 032cm, FR-4 热导 率(XFR4)=0. 0023W/(cmC)-1*z)_ A435*0.032FR4$1*1从表1可以看出，热阻与PCB板尺寸、空气流动、PCB板厚度、过孔数量等参数都 有关系。四、设计实例某直流降压方案，输出5V，电流1A，转换效率n为90%，环境温度TA为50C。使 用的

5、电容额定温度100C，且跟芯片靠的很近，要求芯片 TJ温度控制在90C。首先系统的损耗 PD=VOUT*IOUT*(1/ n -1)=5*1* (1/0.9-1 ) =0.56W假定所有损耗都算在芯片上，可以计算出：热阻 RJA W (90 C -50 C )/0.56 W 71.4 C /WPart.1 PCB板尺寸选用芯片的热阻要低于71.4 C /W，选用SOP8-EP芯片，其RJA为60 C /W，仍需要设 计一个PCB板或散热片来把热量从塑封体传到周围空气。在只有自然对流(即没有空气流 动)及没有散热片的情况下，一个两面都覆铜的电路板上，根据经验法则需要的电路板面 积可用如下方程估算

6、得到：电路板面积(cm勺。15.29号7*丛=15.29牛0.56伽=8.56Part.2 散热孔散热孔对应的热阻方程：261三Ryias =散热孔数量通过以上公式可知，增加散热孔的数量可以有效降低过孔的热阻。Part.3铜箔厚度铜箔对应的热阻方程：也 =他-宽度申厚:度其中A Cu=4W/cm C,长度和宽度单位都是厘米，可以通过增加铜箔厚度来降低热阻。Part.4 散热片散热片可以有效的降低芯片的温度，但是散热片的位置也很重要。对于贴片元器件，散热 片可以直接放置在芯片塑封体顶部，如“图2”所示，但是由于芯片塑封体的热阻较大，且散热片与其接触不良，会降低散热片的性能。也可以将散热片与芯片背部的过孔相连， 提高散热片的性能。图2.散热片的摆放位置Part.5 风冷在产品空间范围比较大，且不是密封的环境内， 以显著降低系统整体的热